Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
ПАНКРАТОВА Ксения Викторовна
Инженерно-геологическАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОГЕНЕЗА КОМПОНЕНТОВ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ ЕГО ОСВОЕНИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ
(НА ПРИМЕРЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА)
Специальность 25.00.08 Ц Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение
Ааватаоараеафаеарт
диссертации на соискание ученой степени
кандидата геолого-минералогических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный университет
Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук, профессор
Дашко Регина Эдуардовна
Официальные оппоненты:
Кнатько Василий Михайлович - доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет, профессор кафедры грунтоведения и инженерной геологии
Плечкова Ирина Львовна - кандидат геолого-минералогических наук, главный геолог ООО ПИаГеореконструкция
Ведущее предприятие Ц Петербургский государственный университет путей сообщения
Защита диссертации состоится 31 мая 2012 г. в 11ач. на заседании диссертационного совета Да212.224.11 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 4312.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.
Автореферат разослан 28 апреля 2012аг.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
канд. геол.-минерал. наук А.В.аШИДЛОВСКАЯ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Современная тенденция развития мегаполисов предполагает обязательное использование подземного пространства (ПП) при возведении гражданских и промышленных сооружений, строительстве транспортных магистралей, а также объектов специального назначения. Повышение безопасности использования ПП предопределяет необходимость комплексного исследования изменения его компонентов (горных пород, подземных вод, газов, биоты, конструкционных материалов сооружений) в процессе техногенеза при различных видах техногенного воздействия, в том числе загрязнения органическими и неорганическими соединениями, влияния температуры, ультрафиолетового излучения, а также принимая во внимание технологический режим эксплуатации сооружений.
Понятие техногенез ввел в 1934 году академик А.Е.аФерсман, анализируя его как совокупность процессов, вызываемых технической (инженерной) деятельностью человека. Вопросы техногенного изменения инженерно-геологических условий в пределах городских агломераций освещены в работах Ф.В.аКотлова, Е.М.аСергеева, В.И.аОсипова, В.Т.аТрофимова, В.Д.аЛомтадзе, В.А.аКоролева, Г.Л.аКоффа, Ю.Б.аОсипова, Р.С.аЗиангирова, Г.С.аГолодковской, В.М.аКнатько, Р.Э.аДашко и др.
Участившиеся случаи перехода сооружений в аварийное и предаварийное состояние в период их строительства и эксплуатации в Санкт-Петербурге требуют анализа причин возникновения таких ситуаций, причем особое внимание должно быть обращено не только на нарушение технологии ведения строительных работ, но и на период эксплуатации зданий, во время которого происходят необратимые изменения пород в зоне влияния сооружений за счет изменения их напряженно-деформированного состояния, а также факторов, которые не учитываются в теории и практике инженерно-геологических исследований и соответственно при проектировании сооружений. По данным исследований института НИИПромстроя (г.аУфа) 63-71% случаев перехода сооружений в аварийное состояние определяется факторами, действующими в период эксплуатации объектов, поскольку отсутствует важный этап - прогнозирование изменения инженерно-геологических условий, включая преобразование гидродинамической и гидрохимической обстановки, температурного режима в зоне влияния сооружения. Негативное влияние на песчано-глинистые грунты оказывают утечки из систем водоотведения, вызывающие повышение уровня подземных вод, изменение химического состава водоносных горизонтов, загрязнение водоупоров, и, как следствие, преобразование кислотно-щелочной и окислительно-восстановительной обстановки, часто приводящее к активизации подземной микробиоты, что вызывает развитие опасных природно-техногенных процессов.
Цель работы. Повышение безопасности функционирования сооружений различного назначения в различных инженерно-геологических условиях на основе использования экспериментально полученных закономерностей преобразования песчано-глинистых отложений под воздействием техногенных факторов, позволяющих вести прогнозирование их длительной устойчивости.
Основные задачи исследований
1.аУстановление общих тенденций динамики техногенеза четвертичных и дочетвертичных песчано-глинистых пород в разрезе Санкт-Петербурга при наличии болотных отложений (торфов), под воздействием температуры, загрязнения органическими и неорганическими соединениями. 2.аОценка изменения состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений различного генезиса при изменении физико-химических условий и активизации микробной деятельности в подземной среде для установления эмпирических зависимостей между водопроницаемостью и сопротивлением сдвигу от величины микробной массы. 3.аПрогнозирование природно-техногенных процессов, определяющих безопасность функционирования сооружений различного назначения в условиях активного техногенеза при освоении и использовании подземного пространства мегаполисов. 4.аОбеспечение длительной устойчивости наземных и подземных сооружений при использовании переменных во времени параметров физико-механических свойств песчано-глинистых грунтов с учетом их техногенных преобразований под воздействием природной органической компоненты и загрязнения подземной среды.
Фактический материал и личный вклад автора. Диссертация является продолжением научных исследований, которые проводились при непосредственном участии автора на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии СПГГУ в ходе обучения в бакалавриате и магистратуре. Для получения количественных параметров динамики преобразования песчано-глинистых отложений различного генезиса и возраста под воздействием природной органической компоненты и активизации микробной деятельности автором был выполнен большой объем экспериментальных полевых и лабораторных исследований. Для установления влияния факторов техногенеза проводились различные виды работ на следующих объектах: в перегонных тоннелях Санкт-Петербургского метрополитена по трассе Елизаровская-Ломоносовская, в автодорожном тоннеле неглубокого заложения Санкт-Петербург-Пушкин, в котлованах Второй сцены Мариинского театра и бизнес-центра Невская Ратуша, в зонах влияния действующих кладбищ и свалок хозяйственно-бытовых отходов, на участках заболачивания в черте города и пригородах Санкт-Петербурга. Автором были получены закономерности влияния ультрафиолетового излучения и вибрационных нагрузок на снижение величины микробной масс в песчано-глинистых грунтах за счет сокращения численности микроорганизмов и соответственно продуктов их метаболизма.
Основные методы исследований. Теоретические и научно-практические методы оценки развития техногенных преобразований песчано-глинистых грунтов различного генезиса и возраста, экспериментальные исследования с использованием оборудования на основе метода лазерной дифракции для изучения гранулометрического состава, определения характеристик прочности и деформируемости с применением комплекса оборудования, включающего стабилометры, приборы одноплоскостного сдвига; усовершенствованный биохимический метод М. Бредфорд определения микробной массы по величине микробного белка, впервые предложенный на кафедре грунтоведения и инженерной геологии СПбГУ. Микробиологические исследования с помощью посевов и выделения чистых культур, а также использования электронной и световой микроскопии для выявления численности видового и родового состава микроорганизмов, в том числе аэробных и анаэробных групп, выполнены в лабораториях биолого-почвенного факультета СПбГУ; компьютерное моделирование производилось с помощью программного комплекса FEM models на основе метода конечных элементов, разработанного ОООаПИ Геореконструкция.
Реализация результатов исследований. Установленные закономерности трансформации состава, состояния, физико-механических свойств дисперсных грунтов и развития инженерно-геологических процессов при техногенном воздействии используются при подготовке проектов строительства новых сооружений, реконструкции и реставрации старинных зданий рядом организаций, в том числе ОООаПИ Геореконструкция, ОАОаЛЕННИИПРОЕКТ, материалы по биокоррозии переданы службе ТОИС ГУП Петербургский метрополитен. Результаты работы будут использованы при совершенствовании нормативных документов по проведению инженерных изысканий и территориальных строительных норм.
Научная новизна работы
- Экспериментально установлены закономерности изменений состава, состояния, снижения параметров сопротивления сдвигу и деформационной способности водонасыщенных песчано-глинистых грунтов различного генезиса, возраста и степени литификации под воздействием природной органической компоненты и активизации микробной деятельности.
- Получены закономерности снижения численности микроорганизмов (по величине микробной массы) под влиянием ультрафиолетового излучения и вибрационных воздействий в водонасыщенных песчано-глинистых грунтах.
- Разработаны схематические карты особенностей и интенсивности загрязнения верхней части разреза подземного пространства Санкт-Петербурга под воздействием контаминантов характерных для мегаполисов, история развитие которых насчитывает нескольких веков.
Защищаемые положения
- Интенсивность техногенеза основных компонентов подземного пространства мегаполиса определяет уровень сложности инженерно-геологических условий за счет нестабильности показателей состава, состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений в период функционирования сооружений и развития неуправляемых природно-техногенных процессов в подземной среде, взаимодействующей с сооружением.
- Активизация микробной деятельности в подземном пространстве мегаполисов при поступлении питательных и энергетических субстратов, отепляющем эффекте, дополнительном привносе микроорганизмов из различных природных и техногенных источников контаминации, а также за счет формирования анаэробных условий оказывают негативное воздействие на песчано-глинистые отложения, которое постепенно уменьшается по мере повышения содержания глинистой фракции в дисперсных грунтах и степени их литификации.
- Для повышения безопасности функционирования системы сооружение - многокомпонентная подземная среда необходимо вести проектирование на основе прогнозирования изменения состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений, преобразования состава подземных вод и активизации природно-техногенных процессов с использованием результатов экспериментальных исследований, которые не предусмотрены в системе инженерных изысканий.
Практическая значимость работы
- Произведена экспериментальная оценка влияния изменения физико-химических и биохимических условий в подземном пространстве Санкт-Петербурга на песчано-глинистые грунты для повышения степени достоверности инженерно-геологической информации о негативном преобразовании песчано-глинистых отложений (их состава, состояния и физико-механических свойств), которые используются для анализа перехода ряда сооружений в предаварийное либо аварийное состояние.
- Усовершенствованы и опробованы методики испытания песчано-глинистых грунтов при их загрязнении органическими контаминантами биогенного и абиогенного генезиса, температурном воздействии с целью повышения достоверности получения характеристик прочности и деформационной способности.
- Предложены рекомендации для расчета длительной устойчивости наземных и подземных сооружений с учетом преобразования физико-механических свойств песчано-глинистых грунтов при техногенезе в период их эксплуатации.
Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, базируется на большом объеме выполненных теоретических, научно-практических и экспериментальных исследований по трансформации состава, состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений различного генезиса и возраста при воздействии техногенных факторов (органических контаминантов биогенного и абиогенного генезиса, температурного и вибрационного влияния), повышающих либо снижающих численность микробной массы. Результаты микробиологических исследований по определению физиологических групп, родового и видового состава микроорганизмов и их численности в разрезах загрязненных грунтов Санкт-Петербурга позволили оценить их агрессивность по отношению к конструкционным материалам. В основу диссертации положены результаты, полученные в ходе проведения научно-исследовательских работ, при непосредственном участии автора: Инженерно-геологическое и гидрогеологическое обеспечение высотного строительства и освоения подземного пространства в мегаполисах (2009 г.), Состояние и стратегия развития научной школы Инженерная геология по приоритетным направлениям НИУ (2010 г.), Преобразование компонентов подземного пространства для прогнозирования устойчивого развития мегаполисов (2010-2011 гг.), Разработка инновационных технологий по приоритетному направлению научной школы Инженерная геология (2011 г.), а также при поддержке персональных грантов Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук в 2009 и 2010 годах.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: Полезные ископаемые России и их освоение (СПГГУ, Санкт-Петербург, 2009, 2010, 2011 гг.), Сергеевские чтения Х (Научный совет РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, Москва, 2008 г.), Инженерные изыскания в строительстве (ОАО ПНИИИС, Москва, 2010, 2011 гг.), международном форуме молодых ученых Проблемы недропользования (СПГГУ, Санкт-Петербург, 2011 г.), международных конференциях молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2009 и 2011 гг.) и Фрайбергской горной академии (Фрайберг, Германия, 2011аг.).
Публикации.
Основные результаты диссертации содержатся в 11 опубликованных работах, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки России.
Структура работы.
Диссертация изложена на 234 страницах, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 154 наименований, содержит 67 рисунков, 57 таблиц.
Автор выражает глубокую и искреннюю признательность за постоянную помощь и поддержку на всех этапах подготовки диссертационной работы научному руководителю д.г.-м.н. проф.аР.Э.аДашко. Автор благодарит заведующего кафедрой ГиИГ д.г.-м.н. проф. В.В.аАнтонова, д.г.-м.н. проф. И.П.аИванова, к.г.-м.н. доц. Н.С.аПетрова, к.г-м.н., доц. А.В.аШидловскую, к.г-м.н., доц. Т.Н.аНиколаеву, к.г-м.н., доц. Г.Б.аПоспехова, к.г-м.н., доц. Л.П.аНорову, к.г.-м.н. асс. О.Ю.аАлександрову и остальных сотрудников кафедры за обсуждение материалов диссертации. Отдельную благодарность автор выражает к.г.-м.н, асс. А.М.аЖуковой, студ. А.А.аКоробко, А.Н.аМудла, Ю.Г.аШкаруппа за содействие в проведении полевых и лабораторных работ. Автор выражает благодарность д.б.н., заведующему лабораторией микологии и альгологии СПбГУ Д.Ю. Власову за помощь в проведении микробиологических исследований.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ
- Интенсивность техногенеза основных компонентов подземного пространства мегаполиса определяет уровень сложности инженерно-геологических условий за счет нестабильности показателей состава, состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений в период функционирования сооружений и развития неуправляемых природно-техногенных процессов в подземной среде, взаимодействующей с сооружением.
Подземное пространство в пределах мегаполисов следует рассматривать как динамическую систему взаимозависимых компонентов - горные породы (грунты) - подземные воды - микробиота - газы - подземные конструкции.
В разрезе подземного пространства Санкт-Петербурга прослеживается осадочная толща четвертичного возраста от раннечетвертичных до современных отложений. Вне погребенных долин, развитых по направлению тектонических разломов, ее мощность снижается до 30 м и менее, в наиболее глубокой долине - 120 м. Дочетвертичные осадочные породы - глины и песчаники - представлены отложениями нижнекембрийского возраста и котлинского горизонта верхнего венда (рис.1).
В разрезе четвертичных отложений преобладают водонасыщенные глинистые грунты различного генезиса и возраста, имеющие, в основном, малую степень литификации (озерно-морские, озерно-ледниковые); средняя степень литификации отмечается для морен различного возраста (лужская позднечетвертичная, московская среднечетвертичная и днепровская раннечетвертичная) (рис.2). Пески встречены в разрезе четвертичных пород техногенного, озерно-морского и озерно-ледникового генезиса, а также в межморенных отложениях и в форме отдельных линз в моренах.
Уровень техногенных изменений, прежде всего, определяется влиянием болот и заболоченных грунтов, которые в процессе строительства снимались либо засыпались. Загрязненные техногенные образования представлены либо насыпными грунтами (18-19 вв. - сер. 20 в.) или намывными отложениями (вторая половина 20 в.). Кроме того источником загрязнения в разрезе служат ликвидированные водотоки, составляющие 3,7% территории города.
Наличие болот, а также заторфованных грунтов в верхней части разреза оказывает существенное влияние на состояние и физико-механические свойства подстилающих песчано-глинистых отложений четвертичного и дочетвертичного возраста за счет их обогащения органическими соединениями биогенного и абиогенного генезиса (рис.3).
В пределах низкой террасы распространены озерно-морские литориновые отложения, обогащенные органикой, а также микробиотой, активность деятельности которой усиливается при наличии в верхней части разреза торфов и контаминации стоками.
Нижнекембрийские синие глины распространены в южной части города, верхнекотлинские глины верхнего венда имеют региональное развитие. Коренные глины необходимо рассматривать как литифицированную трещиновато-блочную среду, имеющую зональное строение, при этом интенсивность поступления поллютантов в толщу этих глин меняется по глубине в зависимости от степени их дезинтеграции.
В пределах города выделяются следующие водоносные горизонты: грунтовые воды, 1ый межморенный водоносный горизонт, 2ой межморенный водоносный горизонт, ломоносовский водоносный горизонт, а также вендский водоносный комплекс.
Загрязнение грунтовых вод за счет утечек из канализационной системы отмечено на большей части исторического центра города, где фиксируются отрицательные значения окислительно-восстановительного потенциала (до -198 mv в районе Александро-Невской Лавры), что определяется развитием анаэробных условий. В грунтовых водах отмечено высокое содержание кальция (до 150 мг/дм3) и магния (до 116 мг/дм3), связанное с выщелачиванием этих элементов из подземных конструкций. Повышенное содержание хлоридов (до 240 мг/дм3), а также иона аммония свидетельствует о загрязнении грунтовых вод канализационными стоками. Наличие сульфатов (до 176 мг/дм3) определяется их поступлением с территорий захороненных свалок, а также с канализационными стоками. Повсеместно в грунтовых водах отмечается присутствие органических соединений, определяемых по величине ХПК и перманганатной окисляемости. Содержание нефтяных углеводородов не превышает 0,1 мг/дм3.
В водах верхнего межморенного водоносного горизонта в пределах Полюстровского месторождения по последним проведенным исследованиям зафиксировано повышенное содержание аммония, хлоридов и сульфатов, а также тяжелых металлов и нефтепродуктов за счет их поступления из грунтовых вод.
К числу защищенных водоносных горизонтов от загрязнения относятся нижний межморенный водоносный горизонт и вендский водоносный комплекс. Ломоносовский водоносный горизонт, развитый на юге города, является плохо защищенным в локальных зонах отсутствия водоупорной толщи нижнекембрийских глин.
В торфах и заторфованных грунтах, характерных для разреза Санкт-Петербурга, присутствует микробиота, которая поступает в подстилающие породы. Наибольшая активность микроорганизмов прослеживается в торфах со средней степенью разложения. С увеличением степени разложения органического вещества, интенсивность микробной деятельности, количество микроорганизмов и разнообразие физиологических групп уменьшается. В верхней части торфов доминируют нитрифицирующие бактерии, в средней части преобладают денитрифицирующие, ниже по разрезу в анаэробных условиях присутствуют сульфатредуцирующие, аммонифицирующие и метанобразующие, а также анаэробные целлюлозоразлагающие бактерии.
Вторым важным источником поступления микроорганизмов в подземное пространство являются утечки из систем водоотведения, жидкая фаза из свалок бытовых отходов, а также ликвидированные и действующие кладбища. Один миллилитр сточных вод содержит 107-108 клеток микроорганизмов.
Природным источником поступления микробиоты в подземное пространство города служат газогенерирующие межледниковые микулинские отложения, содержащие до 20-22% битумного органического вещества, развитые в юго-восточной и северной частях города. Микробиологические исследования этих пород выявили наличие большого количества анаэробных форм микроорганизмов, которые участвуют в генерации малорастворимых (СН4, N2) и растворимых (CO2, H2S) газов. Кроме того, источником биохимического газообразования (СН4, H2S) являются болота и литориновые отложения, техногенного - ликвидированные свалки, кладбища и водные объекты.
Еще до строительства сооружения существует необходимость изучения состояния компонентов подземного пространства с позиции их контаминации, на которое накладывается влияние сооружения с учетом технологии эксплуатации - давления, температуры, утечек различного органического и неорганического состава.
При неуправляемом техногенезе с поступлением контаминантов различного химического состава, содержащих органические компоненты биогенного и абиогенного генезиса, в толщу пород, происходит изменение окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий.
- Активизация микробной деятельности в подземном пространстве мегаполисов при поступлении питательных и энергетических субстратов, отепляющем эффекте, дополнительном привносе микроорганизмов из различных природных и техногенных источников контаминации, а также формировании анаэробных условий оказывают негативное воздействие на песчано-глинистые отложения, которое постепенно уменьшается по мере повышения содержания глинистой фракции в грунтах и степени их литификации.
В связи с особенностями характеристик компонентов подземного пространства Санкт-Петербурга был проведен комплекс экспериментальных исследований, позволяющий установить закономерности изменения состава, состояния, физико-механических свойств песчано-глинистых отложений различного генезиса и возраста под влиянием органических соединений, отепляющего эффекта и при воздействии поступления питательных и энергетических субстратов в подземную среду, в которой присутствует микробиота.
Содержание органического вещества абиогенного генезиса менее 3% в песках разного гранулометрического состава отражается на значениях плотности, коэффициента фильтрации, характеристик прочности и деформируемости. Под влиянием увеличения содержания органических соединений абиогенного генезиса отмечено снижение плотности, рост общего значения пористости, с одной стороны, и уменьшение абсолютного размера пор, с другой, что отражается на фильтрационной способности песков, снижающейся в 2-5 раз. На зернах песка образуются тонкие пленки из коллоидной фракции органической компоненты, что приводит к появлению связности и снижению углов внутреннего трения.
По экспериментальным данным особенно активное изменение водопроницаемости и показателей сопротивления сдвигу песков отмечается при действии органической составляющей (торфа) и подачи многокомпонентного питательного субстрата (KNO3, KH2PO4, NaHPO4*12H2O, MgSO4), способствующих развитию микроорганизмов (табл. 1).Снижение коэффициента фильтрации и угла внутреннего трения песка средней крупности связано с повышением содержания коллоидных фракций и образованием биопленок на минеральных зернах, которые существенно уменьшают трение. В процессе длительного воздействия органики биогенного генезиса изменяется гранулометрический состав песков за счет роста содержания более мелкой фракции. Так, в исходном песке преобладающая фракция 0,5-0,25 мм составляла 65%, на момент завершения опыта содержание мелкой фракции 0,25-0,1 мм возросло до 57%, а среднезернистой снизилось до 43%.
В лабораторных условиях при воздействии на чистые пески торфа за один год отмечен рост микробной массы от 0 до 89 мкг/г (см. табл.1, рис. 4). Микробиологические исследования выявили развитие трех видов микромицетов - Penicillium oxysporum, Aspergillus niger, Penicillium brevicompactum (600 КОЕ на 1 грамм песка), которые принадлежат к аэробным формам микроорганизмов. Привнос нефтяных углеводородов способствовал формированию анаэробной среды, что фиксировалось по косвенным признакам: переходу цвета песка от светло-коричневого до серого. В восстановительной среде отмечалось снижение численности микромицетов и уменьшение их активности, что вызвало двукратное снижение величины микробной массы по сравнению с результатами опыта без добавок нефтепродуктов. В процессе опыта наблюдалось изменение кислотно- щелочных условий (рН снизилось от 7,5 до 5,5 за счет образования органических кислот), подтверждающееся формированием кристаллов оксалатов при продуцировании микромицетами щавелевой кислоты; кроме того, в первый месяц проведения исследований отмечалось выделение газа, состав которого не определялся.
При воздействии органики биогенного и абиогенного генезиса на выветрелые ожелезненные нижнекембрийские песчаники в бескислородной среде происходит восстановление железа до Fe2+, что вызывает полную деградацию цементационных связей за счет гидрооксида железа и одновременно диспергацию глинистых агрегатов. Через 6 месяцев было получено снижение угла внутреннего трения (с 270 до 100), сцепления (от 0,049 до 0,011 МПа), что сопровождалось ростом микробной массы в 5 раз.
Воздействие торфов на нижнекембрийские синие глины вызывает интенсивный рост микробной массы и снижение параметров их прочности: угла внутреннего трения в 1,25-1,5 раза, сцепления - на 20% (табл. 2). При воздействии природной органики на нижнекембрийские синие глины было установлено увеличение микробной массы в 3,5 раза за 6 месяцев. В течение опыта поддерживались анаэробные условия, о чем свидетельствует появление пятен гидротроилита за счет сульфатредукции железа и образования сероводорода. При поступлении нефтепродуктов (соляровое масло) микробная масса за 6 месяцев возросла с 25 мкг/г до 103 мкг/г (см. табл. 2). Еще ранее было установлено, что в глинах доминируют анаэробные бактерии, соответственно в восстановительных условиях при поступлении солярового масла численность микроорганизмов возрастает даже в литифицированных глинах.
Экспериментальными исследованиями установлено, что по мере повышения содержания глинистых фракций в грунтах при прочих равных условиях (поступление питательных субстратов с постоянным составом) возрастает величина микробной массы за счет повышения сорбционной способности песчано-глинистых пород (рис.5). Для развития микробиоты в песчано-глинистых отложениях имеет значение тип питательного субстрата. Как показали результаты экспериментальных исследований, при полном водонасыщении микробная масса увеличивается, максимальный рост биоты зафиксирован при поступлении питательного субстрата с 1% солярового масла.
На активность деятельности микроорганизмов существенное влияние оказывает температура. Все исследуемые физиологические группы микроорганизмов принадлежат к мезофилам, т.е. для них существует температурный оптимум в условиях которого отмечается рост их численности. При повышении температуры от 15-170С до 30-350С, что характерно для пород в основании ТЭЦ, в образцах на гидрослюдистых глин микробная масса увеличилась на 40%.
При воздействии на образцы супесчаного состава ультрафиолетовых волн длиной 305-315 нм за месяц микробная масса снизилась в 4 раза по сравнению с исходной (113,8 мкг/г), при условии поглощения излучения нуклеиновыми кислотами клеток, которые погибают в результате мутации [М.В.аВолькенштейн, 2008аг.]. При вибрационном воздействии с частотой колебанийа1500 Гц содержание микробной массы за аналогичный период уменьшилось почти в 2 раза (от 133 до 70 мкг/г) за счет разрушения клеток и снижения активности их размножения.
На основе проведенных исследований введен коэффициент снижения сопротивления сдвигу для песков и глинистых пород в зависимости от содержания микробной массы (табл.3, рис.6). Наиболее чувствительными оказываются пески средней крупности, практически не содержащие пылеватую фракцию, которые переходят в состояние плывунов при величине микробной массы более 60 мкг/г. Все разности водонасыщенных глинистых грунтов малой и средней степени литификации в анаэробных условиях и при содержании микробной массы более 100 мкг/г следует рассматривать как пластичные среды с углами внутреннего трения менее 5-60. По мере повышения содержания глинистой фракции такое влияние снижается для величин сопротивления сдвигу грунтов.
- Для повышения безопасности функционирования системы сооружение Ц многокомпонентная подземная среда необходимо вести проектирование на основе прогнозирования изменения состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений, преобразования состава подземных вод и активизации природно-техногенных процессов с использованием результатов экспериментальных исследований, которые не предусмотрены в системе инженерных изысканий.
Необходимость обеспечения длительной устойчивости - одно из основных требований, предъявляемых к зданиям и сооружениям различного назначения. По данным проф. В.М.аУлицкого в Санкт-Петербурге большая часть деформаций (61%) обусловлена техногенными факторами, проявляющимися при эксплуатации сооружений различного назначения. В действующих нормативных документах отсутствуют требования к обязательному выполнению прогноза по изменению химического состава подземных вод, окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий, температурного режима, активизации микробной деятельности, которые сказываются на ухудшении состояния и свойств пород в основании сооружений в процессе их строительства и эксплуатации.
Для сравнительной оценки степени загрязнения верхней части разреза четвертичных отложений в пределах территории Санкт-Петербурга построена схематическая карта интенсивности загрязнения в зависимости от концентрации источников контаминации, которая дает возможность установить тенденции изменения состояния и свойств песчано-глинистых грунтов и воспользоваться коэффициентами снижения прочности песчано-глинистых грунтов в зависимости от содержания в них микробной массы (рис. 7).
В качестве примера можно привести анализ перехода жилого здания на Двинской ул. в аварийное состояние в результате негативного преобразования песчано-супесчаных пород, которые служили несущим горизонтом для ленточных фундаментов шириной b=2,8-3,2 м, заглубленных на 2,5 м, при постоянном воздействии утечек из канализационной системы. Определение расчетного сопротивления (R) на стадии проектирования было выполнено при следующих показателях сопротивления сдвигу: с=0,015 МПа (1,5 тс/м2) и =200, =1,95-2,0 т/м3 и составило 0,27 МПа (2,7 тс/м2), при этом выполнялось условие рс<R, где рс - давление под подошвой от сооружения, равное 0,15 МПа.
Длительность воздействия канализационных стоков и подтопление фундаментов привело к преобразованию песчано-супесчаных отложений, изменились показатели сопротивления сдвигу: =60, с=0,017 МПа (1,7 тс/м2), взвешивающее воздействие подтопления привело к снижению до 1,42 т/м3. При этих параметрах R составило 0,11 МПа (11 тс/м2) и оказалось ниже, чем давление от сооружения.
При проектировании сооружений в зонах интенсивного загрязнения необходимо использование в расчетах характеристик сопротивления сдвигу, полученных в условиях трехосного сжатия по схеме НН (неконсолидированно-недренированный сдвиг) с возможностью бокового расширения образцов, что отражает поведение пород в основании сооружения. Данная схема испытаний позволяет получить минимальные углы внутреннего трения при сохранении плотности и влажности грунтов.
Кроме того, необходимо выполнение прогноза изменения не только физико-механических свойств, но и активизации природно-техногенных процессов: перехода песков в плывуны, возможность выпора грунтов из-под сооружения, биокоррозии строительных материалов.
Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение актуальной научной задачи по инженерно-геологической оценке техногенеза компонентов подземного пространства при его освоении и использовании (на примере Санкт-Петербурга).
1. Подземное пространство Санкт-Петербурга рассматривается как компонентная среда, включающая горные породы (грунты), подземные воды, газы, микробиоту и подземные конструкции. В разрезе четвертичных отложений особое внимание уделено присутствию в верхней части разреза торфов и заторфованных грунтов. Загрязненные техногенные отложения, захороненные свалки, ликвидированные и действующие кладбища служат источником поступления органических соединений абиогенного и биогенного генезиса. Отмечается высокий уровень загрязнения грунтовых вод за счет утечек из канализационной сети и других источников контаминации. Коренные глины необходимо рассматривать как трещиновато-блочную среду, что предопределяет возможность их загрязнения на значительную глубину при утечках из различных источников.
2. Выполненные экспериментальные исследования влияния органических соединений биогенного и абиогенного генезиса позволили установить тенденцию изменения гранулометрического состава, коэффициента снижения показателей сопротивления сдвигу песков и глин различного генезиса и степени литификации. С ростом содержания глинистой фракции в грунтах влияние накопления микробной массы уменьшается. На основе проведенных лабораторных исследований установлено снижение содержания микробиоты при воздействии ультрафиолета и вибрационных нагрузок. Выявлены закономерности роста микробной массы в глинистых грунтах при повышении их температуры.
3. В условиях активного техногенеза безопасность функционирования сооружений и обеспечение их длительной устойчивости определяется учетом возможности перехода песков в плывунное состояние и трансформации глинистых грунтов в квазипластичное состояние при активизации микробной деятельности, загрязнении органическими соединениями биогенного и абиогенного генезиса, а также влиянии заболачивания и газогенерации природного и техногенного характера.
- Для обеспечения длительной устойчивости наземных и подземных сооружений различного назначения предложено использовать схематическую карту загрязнения и зон его влияния, в основу которой положена концентрация источников контаминации на рассматриваемой территории, а также коэффициент снижения сопротивления сдвигу в зависимости от величины микробной массы в песчано-глинистых грунтах. Рассмотрен пример перехода сооружения в аварийное состояние за счет загрязнения грунтов зоны основания канализационными стоками.
Наиболее значимые работы по теме диссертации
1. ПанкратовааК.В. Влияние изменения инженерно-геологических и геоэкологических условий в период строительства и эксплуатации сооружений проектируемого Алексеевского цементного завода на их устойчивость (Республика Мордовия) // Записки Горного института. Т.186. СПб, СПГГУ, 2010, с.34-38.
2. ДашкоаР.Э. Техногенная трансформация основных компонентов подземного пространства мегаполисов и ее учет в геомеханических расчетах (на примере Санкт-Петербурга) / Р.Э.аДашко, А.В.аШидловская, К.В.аПанкратова, А.М.аЖукова // Записки Горного института. Т.190. СПб, СПГГУ, 2011, с.65-70.
3. ПанкратовааК.В. Повышение достоверности инженерно-геологической информации на основе исследований влияния некоторых факторов техногенного воздействия на песчано-глинистые отложения // Записки Горного института. Т.195. СПб, СПГГУ, 2012, с.49-53.
4. ДашкоаР.Э. Исследование инженерно-геологических факторов для оценки динамики разрушения тоннеля на участке автодороги Санкт-Петербург - Киев / Р.Э.аДашко, К.В.аПанкратова, А.А.аКоробко // Записки Горного института. Т.195. СПб, СПГГУ, 2012, с.24-28.
5. ПанкратовааК.В. Результаты экспериментальных исследований влияния некоторых техногенных факторов на дисперсные грунты, как источники дополнительной инженерно-экологической информации на предпроектной стадии изысканий / К.В.аПанкратова, А.М.аЖукова // Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии Сергеевские чтения XIV. М.: РУДН, 2012, с.69-73
Рис. 1. Положение кровли коренных пород осадочного чехла на территории Санкт-Петербурга (переработанные и дополненные данные Геологического атласа Санкт-Петербурга, 2009 г.)
Рис. 2. Схема распространения четвертичных отложений на территории Санкт-Петербурга
(по данным ФГУП Севзапгеология)
Условные обозначения:
- болота и заболоченные участки;
- снятые болота.
Рис. 3. Схематическая карта снятых болот на территории Санкт-Петербурга (конец XX века)
(по данным ФГУП Севзапгеология)
Таблица 1. Динамика изменения водопроницаемости, угла внутреннего трения и величины микробной массы водонасыщенного песка во времени под воздействием торфа
Порода | Продолжительность воздействия, мес. | Коэффициент фильтрации, м/сут | Микробная масса, мкг/г | Угол внутреннего трения, град |
Песок средней крупности | 0 | 12,1-17,9 | 0 | 23-25 |
3 | 5,3-7,5 10,6-14,3 | 33-49 20-23 | 11-14 19-22 | |
6 | 3,8-5,7 7,9-12,5 | 52-63 28-30 | 9-11 15-20 | |
9 | 2,4-3,6 5,8-9,7 | 70-79 33-35 | 7-9 11-16 | |
12 | 1,7-3,3 4,9-7,2 | 83-89 40-47 | 5-8 8-13 |
В числителе - при воздействии торфа; в знаменателе - при воздействии торфа с дополнительным поступлением солярового масла.
Таблица 2. Динамика изменения некоторых показателей механических свойств и микробной пораженности нижнекембрийских синих глин при воздействии органических соединений естественного генезиса и солярового масла
Порода | Микробная масса, мкг/г | Параметры сопротивления сдвигу | |
Угол внутреннего трения, град. | Сцепление, МПа | ||
Нижнекембрийские глины | 25,3-33,9 | 15-18 | 0,05-0,09 |
Нижнекембрийские глины после воздействия торфа | 68,7-83,3 | 13-15 | 0,040-0,045 |
Нижнекембрийские глины после воздействия торфа с питательным раствором с 1% солярки | 90,8-102,9 | 5-8 | 0,035-0,041 |
Примечание: продолжительность опыта 6 мес.
Рис. 5. Зависимость роста микробной массы от типа питательного субстрата в различных типах песчано-глинистых грунтов
1 - грунты в состоянии неполного водонасыщения; 2 - водонасыщенные грунты; привнос питательного субстрата 3) торф; 4) глюкоза; 5) с 1% солярового масла
Таблица 3. Влияние содержания микробной
массы на снижение сопротивления сдвигу глинистых грунтов
IL | Коэффициент снижения сопротивления сдвигу при различном содержании ММ мкг/г | ||||
0 | 50-100 | 100-200 | >200 | ||
Супеси | <0,50 | 1,0 | 2,0-2,5 | 2,2-3,0 | 3,0-3,5 |
0,50-0,75 | 1,8-2,0 | 1,7-2,0 | 2,0-2,5 | ||
>0,75 | 1,5-1,8 | 1,5-1,8 | 1,8-2,0 | ||
Суглинки | <0,50 | 1,0 | 1,6-2,0 | 2,0-2,2 | 2,2-2,4 |
0,50-0,75 | 1,4-1,8 | 1,8-2,0 | 2,0-2,2 | ||
>0,75 | 1,4-1,5 | 1,5-2,0 | 2,0-2,2 | ||
Глины | <0,50 | 1,0 | 1,4-1,6 | 1,6-1,8 | 1,8-2,2 |
0,50-0,75 | 1,3-1,5 | 1,5-1,6 | 1,6-2,0 | ||
>0,75 | 1,3-1,5 | 1,5-1,6 | 1,6-1,9 | ||
Примечание: Сопротивление сдвигу получено по результатам трехосных испытаний по схеме НН
Рис. 6. Зависимость коэффициента снижения сопротивления сдвигу для
песков и глинистых пород в зависимости от содержания микробной массы
Рис.7. Схематическая карта загрязнения территории Санкт-Петербурга и зон его влияния
1 - загрязнение не выявлено
2 - слабая степень загрязнения (влияние одного загрязнителя)
3 - средняя степень загрязнения (влияние двух загрязнителей)
4 - высокая степень загрязнения (влияние трех и более загрязнителей)
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле